DE3029329A1

DE3029329A1 - Distance measurement w.r.t. reference line in light path - detecting reference line as centre of divided laser beam

Info

Publication number: DE3029329A1
Application number: DE19803029329
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr.-Ing. Leoben Schwenzfeier; Albert Dipl.-Ing. Graz Winterstätter
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1980-08-01
Filing date: 1980-08-01
Publication date: 1982-03-11

Abstract

A distance measurement device for determining the distance between a reference line marked in a light beam (2) and a measurement object has a distance dependent transducer (5) which can be moved along the path for detection of the reference line (21). It is a simple precise device enabling large distance variations to be detected without readjustment of the light beam path. A distance detector (4) is connected to the measurement transducer (5), which is set vibrating perpendicular to the light path. When the reference line measurement transducer (5) detects the reference line (21) the distance detector (4) output signal gives a measure of the distance (9). The transducer (5) contains a laser beam divider. The reference line is the centre of the divider beam as detected by photodetectors.

Description

Abstandsmeßeinri chtunaDistance measuring device

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abstandsmeßeinrichtung zum Bestimmen des Abstandes zwischen einer in einem Lichtstrahlengang angenommenen Referenzlinie und einem Meßobjekt, bei der im Lichtstrahlengang ein abstandsabhängig verschiebbarer Meßgeber zur Erfassung der Referenzlinie vorgesehen ist.The invention relates to a distance measuring device for determining the distance between a reference line assumed in a light beam path and a measurement object in which a distance-dependent displaceable in the light beam path Encoder is provided for detecting the reference line.

Mit diesem Oberbegriff wird auf eine Meßvorrichtung Bezug genommen, wie sie beispielsweise aus der Deutschen Offenlegungsschrift 25 05 391 bekannt ist. Zum genauen Nachführen bewegter, durch Kräfte von einer vorgegebenen Sollage abweichender Werkzeugmaschinenteile in die Sollage, z.B. eines unter Bearbeitungskräften des Fräsers stehenden Werkzeugschlittens einer Portalfräsmaschine, wird bei der bekannten Anordnung ein Laserstrahlgeber benutzt, der an einem der Abweichung nicht unterwofenen Maschinenteil angebracht ist und dessen gebündelter Laserstrahl auf einen Konvexspiegel, z.B.This generic term refers to a measuring device, as is known from German Offenlegungsschrift 25 05 391, for example. For precise tracking of moving parts that deviate from a specified target position due to forces Machine tool parts in the target position, e.g. one under machining forces of the Miller's stationary tool slide of a portal milling machine is used in the known Arrangement a laser beam generator is used, which is not subject to the deviation on one Machine part is attached and its bundled laser beam on a convex mirror, e.g.

in Form eines Kreiszylinders, am nachzuführenden Maschinenteil gerichtet ist. Ein Detektor im Bereich des vom Konvexspiegel reflektierten und durch diesen divergierten Laserstrahls, bestehend aus einer Abbildungsebene mit mehreren in einer Brückenschaltung angeordneten Fotoelementen oder Fototransistoren, gibt bei Abweichung des nachzuführenden Maschinenteils von der Achse des Laserstrahls in positiver oder negativer Richtung elektrische Steuersignale gegensinniger Polarität ab, die unter Zwischenschaltung eines Verstärkers auf eine Nachlaufsteuerung zur Sollistkorrektur des nachzuführenden Maschinenteils einwirken. Mit dieser bekannten Meßvorrichtung sind also Abweichungen erfaßbar, die innerhalb des Bereiches des Lichtstrahlganges liegen, d.h. keinen zu großen Abstand von der Achse (Referenzlinie) haben.in the form of a circular cylinder, directed at the machine part to be tracked is. A detector in the area of the reflected from the convex mirror and through it diverged laser beam, consisting of an imaging plane with several in one Bridge circuit arranged photo elements or photo transistors, gives in case of deviation of the machine part to be tracked from the axis of the laser beam in positive or negative direction electrical control signals of opposite polarity, which under Interconnection of an amplifier on a follow-up control for actual target correction of the machine part to be tracked. With this known measuring device are therefore deviations detectable that are within the range of the Light beam path, i.e. not too great a distance from the axis (reference line) to have.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine präzise und einfache Meßeinrichtung zu schaffen, mit der ohne weiteres auch größere Abstandsveränderungen ohne Nachjustierung des Lichtstrahlenganges erfaßt werden können.The object of the present invention is to provide a precise and to create a simple measuring device with which even larger changes in distance are readily available can be detected without readjusting the light beam path.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit dem senkrecht zum Lichtstrahlgang in Schwingungen versetzten Meßgeber ein Wegaufnehmer gekuppelt ist, und daß das beim Erfassen der Referenzlinie vorliegende Ausgangssignal des Wegaufnehmers als Maß für den Abstand dient. Durch die Trennung zwischen Erfassung der Referenzlinie und Wegmessung ist es nicht mehr notwendig, den Strahlgang laufend den Veränderungen des Abstandes anzupassen. Man erhält dadurch ein relativ einfaches und zuverlässiges Gerät, das ohne weiteres für die Fraxis tauglich ist.This object is achieved in that with the perpendicular A displacement transducer is coupled to the light beam path which is set in vibration and that the output signal of the present when the reference line is detected Displacement transducer serves as a measure of the distance. By separating between capture the reference line and path measurement, it is no longer necessary to keep the beam path running to adapt to changes in the distance. This gives a relatively simple one and reliable device that is easily suitable for Fraxis.

Als Wegaufnehmer können induktive Aufnehmer verschiedenster Bauart, ohmsche oder kapazitive Aufnehmer, inkrementale oder auch codierte Aufnehmer bekannter Bauweise verwendet werden. Als Antrieb für die Schwingbewegung können Exzenterantriebe, magnetische pneumatische, hydraulische undZoder sonstige Schwinger benutzt werden.Inductive sensors of various types, ohmic or capacitive sensors, incremental or coded sensors are well known Construction are used. Eccentric drives, magnetic pneumatic, hydraulic andZ or other oscillators can be used.

Zum Erfassen einer Referenzlinie kann eine dem Meßgeber zugeordnete Fotodetektoranordnung im Lichtstrahlgang verwendet werden, die z.B. aus zwei Fotodetektoren besteht, deren Ausgangsspannungen gleich groß werden, wenn die aktiven Flächen beider Elemente gleich beleuchtet sind oder es können sogenannte "positionsabhängige" Fotodetektoren benutzt werden, deren Ausgangssignak proportional zum Abstand des Lichtfleckes vom Mittelpunkt des Detektors sind.A reference line assigned to the measuring transducer can be used to detect a reference line Photodetector arrangement in the light beam path can be used, e.g. from two photodetectors exists whose output voltages are the same when the active surfaces of both Elements are illuminated in the same way or so-called "position-dependent" Photo detectors are used whose output signal is proportional to the distance of the light spot from The center of the detector.

Zum Erfassen der Referenzlinie kann zusdtzlich auf in an sich bekannter Weise im Meßgeber ein Strahlteiler für den durch einen Laser erzeugten Lichtstrahl gang angeordnet und dessen Mittelachse über eine Fotodiodenanordnung erfaßt werden.In order to acquire the reference line, you can also click on, which is known per se Way in the measuring transducer a beam splitter for the light beam generated by a laser Gang arranged and whose central axis can be detected via a photodiode array.

Eine besondere vorteilhafte Ausbildung eines egaufnehmers ist ein linearer Wegaufnehmer, dessen Kern den Strahlteiler trägt. In e ner abgewandelten Variante kann der Abstand zwischen Referenzlinie und Meßobjekt auch über elastische Elemente bestimmt werden, an denen der Meßgeber aufgehängt wird. Die Auslenkung der elastischen Elemente kann dabei über die Dehnung der Elemente oder über die erforderliche Auslenkkraft bestimmt werden.A particularly advantageous embodiment of an egaufnehmers is a linear displacement transducer, the core of which carries the beam splitter. In a modified one As a variant, the distance between the reference line and the object to be measured can also be elastic Elements can be determined on which the measuring transducer is suspended. The deflection the elastic elements can be about the stretching of the elements or about the required deflection force can be determined.

Durch die vorstehend genannte Anordnung ist also ohne weiteres die Entfernung zwischen einer Werkstückoberfläche und einem bestimmten Punkt des Lichtstrahlganges, z.B. der Strahlmitte erfaßbar. Beispiele für derartige Meßaufgaben können z.B. die Bestimmung der Durchbiegung eines Trägers bei Temperaturänderungen oder Walzendurchbiegungen bei Belastung sein.The above arrangement is therefore easily the Distance between a workpiece surface and a certain point of the light beam path, e.g. the center of the beam can be detected. Examples of such measurement tasks can be e.g. Determination of the deflection of a beam in the event of temperature changes or roll deflections be under load.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sei die Erfindung naher erläutert; es zeigen Figur 1 das Prinzip der Meßvorrichtung, Figur 2 das Ausgangssignal des Vegaufnehmers und des Meßgebers, Figur 3 die Anwendung der Anordnung zur Bestimmung der Durchbiegung eines Trägers und Figur 4 eine abgewandelte Wegmessung mit Hilfe von Dehnungsmeßelementen.Based on an embodiment shown in the drawing the invention explained in more detail; Figure 1 shows the principle of the measuring device, FIG. 2 the output signal of the sensor and the transducer, FIG. 3 the application the arrangement for determining the deflection of a beam and figure 4 shows a modified path measurement with the aid of strain gauges.

Es besteht die Aufgabe, den Abstand a zwischen der Oberfläche eines Werkstückes 1 und der Mittelachse 21 (Referenzlinie) eines durch einen nicht gezeigten Laser erzeugten Strahlganges 2 zu bestimmen. Der Laser möge dabei ortsfest justiert sein.The task is to determine the distance a between the surface of a Workpiece 1 and the central axis 21 (reference line) one through a not shown Laser generated beam path 2 to be determined. The laser may be adjusted to be stationary be.

Auf der Oberfläche des Werkstückes 1 wird ein Abtastkopf 3 verschoben, auf dem der feststehende Spulenteil 41 eines induktiven Wegaufnehmers 4 angeordnet ist. Der Kern 43 des induktiven Wegaufnehmers 4 ist mit einem Meßgeber 5 zur Erfassung der Mittelachse 21 gekuppelt.A scanning head 3 is moved on the surface of the workpiece 1, on which the stationary coil part 41 of an inductive displacement transducer 4 is arranged is. The core 43 of the inductive displacement transducer 4 is provided with a measuring transducer 5 for detection the central axis 21 coupled.

Dieser Meßgeber 5 besteht aus einem optischen Strahlteiler 51, der das einfallende Licht in zwei auf die fest angeordneten Fotoelemente 52 fallende Teile zerlegt. Trifft die Mittelachse 21 genau auf die Spitze des Strahlteilers 51, so sind die Ausgangssignale der Fotoelemente 52 gleich groß, so daß sich bei einer Gegeneinanderschaltung dieser Fotoelemente 52 das Ausgangssignal "on ergibt. Dieses Ausgangssignal "O" dient zur Festlegung des Zeitpunkts, in dem Referenzlinie 21 und Spitze des Strahlteilers 51 übereinstimmen.This encoder 5 consists of an optical beam splitter 51, the the incident light falls in two on the fixedly arranged photo elements 52 Parts disassembled. If the central axis 21 meets the point of the beam splitter exactly 51, the output signals of the photo elements 52 are of the same size, so that at a counter-circuit of these photo elements 52 results in the output signal "on. This output signal "O" is used to determine the point in time at which the reference line 21 and tip of the beam splitter 51 match.

Der Kern 42 des induktiven Wegaufnehmers 4 und damit der Strahlteiler 51 wird nun durch einen Exzenterantrieb 6 in Schwingungen x senkrecht zum Lichtstrahlgang 2 versetzt. Damit ergibt sich beispielsweise die in Figur 2 über die Zeitdauer J der Drehbewegung des Exzenterantriebes 6 dargestellte Ausgangsspannung Ux am Ausgang des feststehenden Spulenteiles 41 des Wegaufnehmers 4. In dem Augenblick, in dem die Spitze des Strahlteilers 51 die Referenzlinie 21 durchläuft, z.B.The core 42 of the inductive displacement transducer 4 and thus the beam splitter 51 is now oscillated x perpendicular to the light beam path by an eccentric drive 6 2 staggered. This results, for example, in the time period J in FIG the rotary movement of the eccentric drive 6 shown output voltage Ux at the output of the fixed coil part 41 of the displacement transducer 4. At the moment in which the tip of the beam splitter 51 passes the reference line 21, e.g.

zu den durch die Foto elemente 52 erfaßten Zeitpunkten t1 und t2 in Figur 2 unten, wird das jeweilige Ausgangssignal des Wegaufnehmers 4 in einer Elektronik 7 erfaßt und der Momentanwert Um gespeichert. Ergibt sich nun infolge einer Verschiebung des Abtastkopfes 3 auf der Werkstückoberfläche eine Veränderung des Abstandes zwischen feststehendem und bewegtem Teil des Meßwertaufnehmers 4, so wird beim tTulldurchgang des Strahlteilers der jeweils auftretende Momentanwert der Ausgangsspannung des Wegaufnehmers sich ebenfalls ensprechend verndern, wie z R.at the points in time t1 and t2 detected by the photo elements 52 in Figure 2 below, the respective output signal of the displacement transducer 4 is in electronics 7 detected and the instantaneous value Um saved. Now results as a result a displacement of the scanning head 3 on the workpiece surface a change the distance between the stationary and moving part of the transducer 4, the instantaneous value that occurs when the beam splitter passes through tTull the output voltage of the displacement transducer also change accordingly, such as z R.

zum Zeitpunkt t2 ersichtlich. Daraus folgt, daß sich zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 auch der Abstand a verändert haben muß. Dieser Abstand a setzt sich nämlich zusammen: =Xref +X +X a = wobei Xref und x1 konstant sind.visible at time t2. It follows that between the Times t1 and t2 also the distance a must have changed. This distance a sets namely together: = Xref + X + X a = where Xref and x1 are constant.

Mit anderen Worten, die über die Veränderung des Abstandes Xm erfaßte änderung kann also aL Maß für die Enderung von a und damit zur Bestimmung des jeweils aktuellen Abstand a verwendet werden.In other words, that detected about the change in the distance Xm change can therefore aL measure for the ending of a and thus for determining the respective current distance a can be used.

Figur 3 zeigt die beispielsweise Verwendung dieses Meßprinzips zur Bestimmung der Durchbiegung eines Trägers.Figure 3 shows the example of using this measuring principle for Determination of the deflection of a beam.

Wie ersichtlich, ist hier der Abtastkopf 3 auf einem Wagen 9 angeordnet, der auf dem Träger 8 verfahrbar ist.As can be seen, the scanning head 3 is arranged here on a carriage 9, which can be moved on the carrier 8.

Durch die beschriebene Meßvorrichtung kann nun der jeweilige Abstand a von der Oberfläche des Trägers zur Referenzlinie 21 des Lichtstrahlganges 2 bestimmt werden und zwar mit sehr hoher Genauigkeit.By means of the measuring device described, the respective distance can now a determined from the surface of the carrier to the reference line 21 of the light beam path 2 with very high accuracy.

Figur 4 zeigt eine gewisse Abwandlung des Wegaufnehmers und zwar ist hier der Meßgeber 5 über zwei elastische Biegefedern 11 und 12 mit einem Rahmen 10 verbunden, der seinerseits wieder entsprechend den Veränderungen des Abstandes nach oben oder unten verschoben wird. Bei dieser Anordnung wird der Auslenkungsweg beim Erfassen der Referenzlinie über Sensoren 13 zur Bestimmung der elastischen Dehnungen oder über Sensoren 14 zur Bestimmung der für diese Auslenkung erforderlichen Anzugskraft erfaßt.Figure 4 shows a certain modification of the transducer, namely is here the transducer 5 via two elastic spiral springs 11 and 12 with a frame 10 connected, which in turn corresponds to the changes in the distance moved up or down. With this arrangement, the deflection path when capturing the Reference line via sensors 13 for determination the elastic expansion or via sensors 14 to determine the deflection for this required tightening force detected.

Anhand der vorstehenden Beschreibung wurde das Meßprinzip erläutert; hinsichtlich der Geber,der Schwingungsantriebe und auch der Auswertung und Speicherung des Meßsignals sind verschiedenartige Modifikationen denkbar, wobei das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung, nämlich die Trennung zwischen Erfassung einer Referenzlinie und dem dazugehörigen Tffeg beibehalten wird.The measuring principle was explained on the basis of the above description; with regard to the encoder, the vibration drives and also the evaluation and storage various modifications of the measurement signal are conceivable, the basic principle being of the present invention, namely the separation between detection of a reference line and the associated Tffeg is retained.

4 Figuren 6 Patentansprüche4 figures 6 claims

Claims

Distance measuring device for determining the distance between a reference line assumed in a light beam path and an object to be measured, in the case of a distance-dependent movable transducer for detection in the light beam path the reference line is provided, that is, that with the transducer (5) set in vibration perpendicular to the light beam path Displacement transducer (4) is coupled and that when the reference line (21) is detected The present output signal of the transducer (4) serves as a measure for the distance (a).

2. Distance measuring device according to claim 1, d a d u r c h gek e n n z e i c h ne t that the measuring transducer (5) photodetectors to detect the reference line assigned.

3. Distance measuring device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that in the measuring transducer (5) a beam splitter (51) for the means a laser generated light beam path (2) is arranged and as a reference line (21) the center of the beam path detected by photodetectors is used.

4. Distance measuring device according to claim 3, d a d u r c h gek e n n z e i c h ne t that for distance recording (4) a linear inductive displacement transducer is provided, the core (42) of which carries the beam splitter (51).

5. Distance measuring device according to claim 1, d a d r r c h g e k e n n z e i c h n e t that the deflections of the encoder (5) in the rotary movement a rotary encoder can be implemented.

6. Distance measuring device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that the transducer (5) is elastically suspended and the deflections via the elongation of the suspension elements (11, 12) or via the required deflection force are determinable.